Enjeux

BioTiM regroupe mécaniciens et médecins travaillant conjointement au développement d’outils de traitement et de simulation patient-spécifique pour une nouvelle génération de soins autour de trois grandes thématiques couplées, allant de la caractérisation à l’échelle de la microstructure à la simulation de systèmes complexes.

Leurs actions portent plus précisément sur :

• la caractérisation des tissus de la microstructure au comportement

La caractérisation du comportement des tissus mous reste encore à ce jour une difficulté majeure liée aux conditions expérimentales, à la nature des tissus, ou leurs conditions de prélèvement et de conditionnement. L'ensemble des observations et analyses histologiques met en évidence une microstructure fortement hétérogène, constituée d’un réseau fibreux d’élastine et de collagène, plus ou moins orientée. Les résultats actuels mettent en évidence, quel que soit le tissu et le site anatomique, un comportement élastique non linéaire en grandes déformations.

• la modélisation du comportement hyperélastique anisotrope

Un des défis de BioTiM consiste à proposer une modélisation du comportement des tissus mous basée sur ces observations expérimentales et microstructurales. Les modèles proposés sont basés sur une description directionnelle prenant en compte les anisotropies induites par la microstructure observée ou encore les renforcements par textile prothétique, mais aussi les potentiels mécanismes d'endommagement. Le développement de modélisations histologiquement fondées permet ainsi de réduire les paramètres matériaux pour tendre vers la simulation patient-spécifique.

• la simulation numérique patient-spécifique de soins

Le dernier verrou traité porte sur la mise au point d’outils de simulation de la physiologie, de la pathologie et du soin intégrant à la fois la complexité des structures, des systèmes et des comportements (géométrie, interaction entre organes, grandes transformations, hyperélasticité, etc.). Pour cela, BioTiM travaille au développement de techniques spécifiques d’analyse d’images médicales pour la construction semi-automatique des géométries et maillages pour la simulation spécifique. L’existence d’un dialogue très fort entre essais, images et modèles numériques mis en place permet d’adapter les outils de simulation génériques à des situations spécifiques de patients.

La maîtrise de la tenue en fatigue sous sollicitation complexe des structures passe par la connaissance approfondie du comportement des matériaux et des mécanismes d’endommagement en lien avec leur microstructure. Les activités de l’enjeu COREFoU sont en relation directe avec celles des enjeux transversaux PoEME et CoNEx. Tant dans le cas des matériaux métalliques, composites que polymères, il s’agit de proposer des modélisations basées sur une description fine des microstructures et des micromécanismes d’endommagements observés. Cet axe repose sur plusieurs éléments remarquables :

• De fortes compétences théoriques en analyse limite et en adaptation ou en endommagement des polymères, composites et élastomères
• Une expertise théorique et expérimentale en élasticité non linéaire et modélisation physiquement fondées en grandes transformations (anisotropies initiale et induite, effet Mullins, adoucissement et déchirure)
• La maîtrise de mesures de champs 2D/3D, couplées ou non, à l’échelle microstructurale
• La plateforme de microtomographie à rayons X ISIS4D, pour la réalisation d’essais avec observations in situ
• La capacité à élaborer des matériaux à microstructure adaptée aux méthodes d’identification et de compréhension des phénomènes physiques.

Expérimentalement, la stratégie consiste à mettre en évidence et quantifier les mécanismes d’adaptation et d’accommodation sous chargements cycliques. Cela s’appuie sur des mesures de champs multimodales (cinématique 2D/3D, thermique et cristallographie) et multi échelles du matériau à la structure. L’accent est mis sur les gradients (chargement, géométrie, microstructure) et leur influence sur le comportement et l’endommagement au travers de projet de recherche structurant tel que le laboratoire de recherche commun SWIT’lab. Il s’agit de poursuivre les travaux antérieurs sur la formulation de critères de fatigue multiéchelles basés sur la notion d’adaptation. Pour des matériaux de fonderie, l’objectif est d’étendre les résultats obtenus en poroplasticité par analyse limite à la théorie de l’adaptation, puis à la poroviscoplasticité. Dans le domaine de la fatigue thermomécanique et de contact, il faut aussi souligner les fortes interactions avec les activités de l’enjeu µFrein.

Pour les matériaux élastomères, des études sont entreprises afin de mieux appréhender les conséquences des phénomènes d’endommagements à faible nombre de cycles (accommodation, anisotropie, effet Mullins) sur le comportement en déchirure. Ce travail requière des collaborations étroites avec des laboratoires de physico-chimie afin de mieux maîtriser la nature des microstructures et leurs incidences sur les mécanismes d’endommagement et de ruine.

Dans le cas des matériaux composites, en collaboration avec l’ONERA de Lille, les efforts pour proposer des modèles physiquement fondés de comportement et d’endommagements pour les composites stratifiés et les interlocks 3D, de la statique à la dynamique, se poursuivent.

L’activité de GEOM s’inscrit dans des problématiques liées à des ouvrages de domaines d’application stratégiques, notamment le stockage géologique des déchets radioactifs et la sûreté des enceintes des centrales nucléaires. L’ambition de la recherche est d’apporter des réponses physiquement fondées aux enjeux de stabilité et de durabilité des structures, qui nécessitent l’explication et la maîtrise des comportements thermo-hydro-mécaniques et chimiques des matériaux, à court et long termes.

L’enjeu GEOM s’inscrit dans des problématiques liées aux ouvrages stratégiques tels que le stockage géologique des déchets radioactifs, la sûreté des enceintes des centrales nucléaires, l’exploitation des hydrocarbures non-conventionnels, la séquestration des gaz acides. L’analyse de leur stabilité et de leur durabilité constituent des enjeux majeurs. Des réponses physiquement fondées à ces enjeux nécessitent l’explication et la maîtrise des comportements thermo-hydro-mécaniques et chimiques des matériaux concernés (principalement roches et bétons), à court et long termes.

Les roches et les bétons sont des milieux poreux saturés par un ou plusieurs fluides ; leurs comportements macroscopiques dépendent donc directement des interactions entre les propriétés des fluides, la morphologie des réseaux poreux, la cinétique de transport des fluides et la déformation, voire la modification de leurs squelettes. En raison des hétérogénéités, l’application d’un champ thermique ou d’un champ hydrique peut également engendrer des champs locaux de contraintes non uniformes à l’origine de déformations inélastiques et/ou de microfissuration. Enfin, dans de nombreux domaines, ces matériaux peuvent également être soumis à une dégradation chimique, soit par dissolution de calcium des matériaux cimentaires, soit par dissolution des surfaces de contact des roches calcaires due à un processus de pression–dissolution, soit enfin par propagation subcritique de microfissures due à la corrosion sous contrainte. Cette dégradation chimique peut affecter de façon significative les propriétés mécaniques et les propriétés de transport.

Les verrous scientifiques majeurs sont :

• de comprendre et de caractériser les mécanismes de déformation, de fissuration et de dégradation mis en jeu à différentes échelles ;
• de proposer un cadre de modélisation, analytique et/ou numérique, permettant de décrire les mécanismes observés ;
• d’alimenter ces approches phénoménologiques par des raisonnements multi-échelles (analytiques et/ou numériques) permettant de faire transiter des informations entre les échelles.

Les objectifs de l’enjeu GEOM sont de deux natures :

• Comprendre et caractériser les couplages multi-physiques (THM-C) au travers du développement d’expérimentations complexes et originales, et d’en extraire les mécanismes et les paramètres pertinents en vue d’une démarche de modélisation et, plus généralement de la prédiction de la durabilité d’une structure, en lien avec la constitution ou la formulation des matériaux d’usage.
• En se basant sur ces caractérisations expérimentales pour déterminer les propriétés effectives d’un VER, de développer des modélisations multi-échelles, analytiques et/ou numériques (codes autonomes et modules de codes), permettant de prendre en compte les mécanismes de déformation et de fissuration, et des phénomènes de couplage à différentes échelles.

MuFrein traite des problématiques liées au contact frottant sec fortement dissipatif (freinage, contact roue rail, contact aube/carter de turboréacteurs, etc.). La recherche vise à développer des moyens expérimentaux associés à des modélisations afin d’identifier les mécanismes physiques prépondérants dans les problèmes de vibrations, d’endommagement des matériaux et d’usure, avec en priorité des enjeux de réduction de nuisances environnementales (bruit et émissions de polluants).

L’étude des contacts frottant, notamment sous conditions extrêmes de vitesse, de déformation ou de dissipation d’énergie, est réputée très difficile de par les nombreux couplages physiques mis en jeu, les interactions d’échelles et la complexité fréquente des matériaux utilisés. Ce type de problème est souvent abordé avec un point de vue particulier tel que celui de la thermique, de la dynamique, des matériaux, etc.

Les recherches menées au sein de l’enjeu µFrein sont remarquables par leur approche systémique et multiphysique. A l’échelle internationale, le laboratoire est l’un des rares capable de mener des études à plusieurs échelles : «tribologiques» à l’échelle du contact, «matériaux» à l’échelle des composants et «structures» à l’échelle des systèmes. Fort de ses 20 ans d’expérience dans le domaine, il est reconnu pour ses travaux sur l’identification :

• des paramètres de couplage physique du système en contact (interactions entre tribologie – thermomécanique – dynamique),
• des mécanismes d’évolution des matériaux et des surfaces en lien avec les sollicitations, dans des conditions réalistes d’usage
• des instabilités vibratoires induites par frottement, en lien avec les évolutions du système en contact (surfaces, matériaux, etc.)

Pour cela l’enjeu µFrein réunit des compétences très variées et complémentaires en tribologie, thermomécanique, dynamique et physico-chimie. Il a développé des moyens spécifiques :

• de modélisation théorique,
• de modélisation numérique multi-échelle,
• d’élaboration de matériaux de friction,
• d’analyse des surfaces et des matériaux, couplés à des identifications de propriétés/comportement aux échelles influentes,
• d’essais tribologiques, représentatifs de l’usage ou dédiés (couplage particulier, simplification des matériaux et des surfaces, environnement contrôlé, etc.) majoritairement développés en interne,
• d’instrumentation thermique, dynamique, tribologique dont certains instruments originaux (thermographie bichromatique) et surtout couplés avec des méthodes d’identification inverse.

Le dialogue modèle-expérience est privilégié, indispensable à l’instrumentation du contact inaccessible par l’expérience et à l’identification des facteurs clés de la modélisation.

Les applications concernent majoritairement le domaine du transport, relativement à la sécurité des organes, à la durabilité des matériaux, à la réduction de consommation d’énergie et des nuisances environnementales et de santé publique (émissions sonores et émissions de particules).

Les applications phares sont le freinage (SNCF, FLERTEX, CBI, Nipon Steel & Sumitomo Metal (jp), …), le contact roue-rail (RATP, MG-VALDUNES, British-Steel…) et le contact rotor-stator, dans les turboréacteurs notamment (ONERA, Safran Aircraft Engines).

Les travaux actuels portent sur l’amorçage des phénomènes (mécanismes source) mais aussi sur leur évolution avec l’usage (sollicitation, environnement…) jusqu’alors peu considérée dans les travaux de recherche. Cette ambition est renforcée au sein du laboratoire par les synergies du point de vue des matériaux (enjeu PoEME), de leur comportement (enjeu COREFoU) et de la modélisation multi-échelle et hétérogène (enjeux CoNEx et GEOM).

PoEMe a l’ambition d’enrichir la connaissance et la maîtrise des matériaux en mêlant des cultures très diverses développées dans les enjeux thématiques. Les objectifs de l’enjeu portent sur la compréhension de la relation procédés-microstructures-propriétés, la maîtrise de l’élaboration de matériaux à microstructure contrôlée, qu’il s’agisse de matériaux modèles ou représentatifs d’un procédé industriel.

Une diminution de l’impact environnemental - dans le domaine du transport, des structures civiles et de l’énergie - implique, à l’échelle du matériau, de mieux gérer l’utilisation des matières premières (recyclage, procédés d’élaboration plus économes, …). Ces problématiques nécessitent une compréhension fine de la relation procédés-microstructure-propriétés pour optimiser la performance des structures tout en répondant aux objectifs de réduction de l’impact environnemental et de sécurité des usagers et des ouvrages.

Il s'agit ici d'établir un cercle vertueux Conception de VER - Élaboration - Caractérisation - Etude de propriétés en maîtrisant l'ensemble des étapes du processus. Cela s’applique à plusieurs classes de matériaux : les alliages métalliques, les matériaux de friction pour application freinage, les géo-matériaux, les composites souples, et les « assemblages » (composites stratifiés…).

Les objectifs pour réaliser ce continuum à l’échelle d’un VER sont (i) d’élaborer des matériaux modèles ou représentatifs d’un procédé industriel, (ii) de caractériser/étudier leur microstructure, (iii) de caractériser les propriétés d'usage et le comportement à l'échelle du VER, (iv) de modéliser ce VER en s’appuyant sur des représentations réalistes de la microstructure, et (v) enfin de proposer une optimisation des procédés.

 La maîtrise de la microstructure nécessaire à la réalisation des objectifs de PoEMe s'appuie sur:

• Une plateforme d'élaboration d’alliages métalliques pour l’élaboration par solidification contrôlée et/ou dirigée des éprouvettes à microstructures / défauts contrôlés
• Des moyens d'élaboration permettant de maîtriser la formulation ainsi que la morphologie et la taille des constituants des matériaux de friction à matrice organique, des matériaux cimentaires ou des composites
• La plateforme ISIS4D pour la caractérisation 3D des microstructures
• Des dispositifs d’essais in situ sous MEB et sous microtomographe pour l’étude de la relation procédés-propriétés à l'échelle de cette microstructure en s'appuyant sur les outils de corrélation d'images numériques 2D/3D

 La maîtrise du cycle « élaboration - microstructures - propriétés » s’appuie sur une approche multidisciplinaire du matériau à microstructure contrôlée permettant que toutes les méthodologies développées pour la caractérisation et la modélisation soient indépendantes du matériau. Grâce à cette originalité, PoEMe participe à plusieurs projets académiques et industriels :

• la compétition entre endommagement de volume et de surface et l’influence des défauts d’élaboration en fatigue, les effets d'environnement, le rôle de gradients microstructuraux
• l’optimisation de l’élaboration des matériaux de friction
• les notions d'anisotropie initiale et induite dans les composites
• la durabilité des géo-matériaux

Les membres de PoEMe participent aux GDR Solidification des Alliages Métalliques, au Réseau National de Métallurgie et à la SF2M Section Nord.

CoNEx concentre son activité sur l’identification du comportement des matériaux, la mesure par approche inverse et la conduite d’essai. Le contexte est celui de matériaux hétérogènes, appréhendables à de multiples échelles et soumis à des sollicitations complexes, multiaxiales et multiphysiques. L’ambition du dialogue modèle - expérience porte sur le choix d’une échelle d’observation, le paramétrage des lois de comportement, la manière de piloter un essai, dans un esprit d’enrichissement mutuel de la modélisation et de l’expérience.

Tout matériau à une échelle donnée possède une structure hétérogène (géomatériaux, matériaux de friction, matériaux composites, métaux etc.). Cette hétérogénéité est un atout vis-à-vis d’une performance recherchée (durabilité, perméabilité, fatigue etc.) à condition que la compréhension des mécanismes induits soit bien maîtrisée. Ainsi, la compréhension et la quantification des mécanismes de déformation de ces matériaux est un défi. Pour relever ce défi, une forte interaction entre expérimental, observation et simulation est nécessaire. Ce dialogue est dû en grande partie à la volonté de connaître plus finement des matériaux de plus en plus compliqués et soumis à des sollicitations multi-échelle et à fort gradient.

La méthodologie employée consiste à être capable de discriminer les phases via des méthodes d'analyses de textures et de proposer des modèles simulables dans un temps acceptable, de dimensionner les essais ainsi que leurs protocoles, de mettre en place des mesures permettant d’identifier les paramètres pertinents des modèles et d’évaluer l'écart avec la réalité expérimentale.

Pour ce faire, une approche multiaxiale globale est exploitée en s’appuyant sur des ressources conséquentes avec des moyens originaux comme le tomographe avec essais in situ, la plateforme de corrélation d’images YaDICs, un parc informatique adapté, etc. permettant d’aborder au mieux la complexité des problèmes traités.

Les outils développés pourront donc permettre de remonter à des propriétés d'usages sur ces matériaux hétérogènes et ce, à plusieurs échelles, mais aussi, dans le cas de dialogues plus standards, permettre la conception d'essais et la détermination de trajets de chargements optimaux. La démarche sert à identifier des modèles mais aussi, de par la prise en compte de l'observation des textures et des champs thermomécaniques associés, permettre de créer de nouveaux modèles physiquement fondés.